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1、本科毕业设计（论文）摘 要频谱分析仪用来分析信号各频率上的信号强度。在信号分析处理中常用频谱分析方法，将信号在频域上进行处理、 分析以及显示。早期频谱分析仪主要由分离元件构成，不仅设计复杂，价格昂贵，体积较大，而且频率分辨率不高。后来以傅立叶变换为基础的现代频谱分析仪的出现，实现在频谱分析的数字化，随着大规模集成电路的发展，特别是DSP 专用数字信号处理器的出现，使数字信号处理的速度得到了大幅度的提高。在数字信号处理中FFT算法占有重要的地位，本文提出了用Nios II实现FFT的一种设计思想，采用了软件与硬件相结合的方法，使其结构更加的灵活。本文给出了总体实现框图:重点设计实现了FFT算法，
2、采用了硬件加速，从而提高了运算速度，降低了运算复杂度。本设计具有频谱的显示及按键控制功能，人机界面友好，操作使用方便的特点。关键词 FFT算法快速傅里叶变换；FPGA；NIOS II；VHDL语言AbstractThe spectrum analyzer uses for in analytical signal various frequencies the signal strength. In signal analysis processing commonly used spectral analysis method,carries on processing, the analy
3、sis as well as the demonstration the signal in the frequency range. Early time spectrum analyzer mainly by separative element constitution, not only designs complex, the price is expensive, the volume is big, moreover the frequency resolution is not high. Afterward take the Fourier transformation as
4、 the foundation modern spectrum analyzers appearance, realized in the spectral analysis digitization, along with large scale integrated circuits development, specially the DSP special-purpose digital signal processors appearance, enabled the digital signal processing the speed to have the large scal
5、e enhancement. The FFT algorithm held the important status in the digital signal processing, this article proposed II realized the FFT one kind of design concept with Nios, this design method simplified the design hardware architecture, enhanced the design flexibility, facilitated the promotion. Thi
6、s article gave the overall to realize the diagram: The key design has realized the FFT algorithm, has used the hardware acceleration, thus raised the operating speed, reduced the operation order of complexity. This design has the frequency spectrum demonstration and the pressed key control function,
7、 the man-machine contact surface is friendly, operation easy to operate characteristic. Key word: FFT algorithm fast Fournier transformation FPGA NIOS II VHDL language 目录摘 要IAbstractII第1章 绪言111选题意义112 国内外信号发生器的发展与现状。2121国内发展与现状2122国外发展与现状213 前景展望314本章小结3第2章 算法依据421离散傅立叶变换算法42. 2快速傅立叶变换52.2.1 FFT算法基本
8、思想62.2.2 按时间抽取基-2FFT算法723本章小节9第3章 硬件设计及NiosII软核的配置1031 系统硬件电路的设计1032 Nios II 软核的相关配置1333 本章小结15第4章 系统软件的设计1641位运算1642 蝶形运算1943 FFT运算2144本章小结21第5章 数据的运算及分析2251旋转因子复数乘法器的相关数据分析2252 FFT相关的数值分析及计算2353 本章小结24结论25参考文献26致谢27附录1 28附录2 31I 第1章 绪言11选题意义频谱分析仪对于信号分析来说是不可少的。它是利用频率域对信号进行分析、研究，同时也应用于诸多领域，如通讯发射机以及干
9、扰信号的测量，频谱的监测，器件的特性分析等等，各行各业、各个部门对频谱分析仪应用的侧重点也不尽相同.过去这些算法是通过软件来实现的，缺点就是速度慢，延时大，效率低。后来随着大规模集成电路的发展，出现了 DSP 专用数字信号处理器，使数字信号处理实现了质的飞跃。这种DSP 分两种处理器，一种为通用型，一种是专用型。通用 DSP 的灵活性好，功能强大，但处理速度比不上专用 DSP。 Nios II 系列软核处理器是Altera的第二代FPGA嵌入式处理器，其性能超过200DMIPS，在 Altera FPGA中实现仅需 35美分。特别是，Nios II系列支持使用专用指令。专用指令是用户增加的硬件
10、模块，它增加了算术逻辑单元（ALU）。用户能为系统中使用的每个 Nios II 处理器创建多达 256 个专用指令，这使得设计者能够细致地调整系统硬件以满足性能目标。 在 FPGA中使用软核处理器（如 Nios II）比硬核的优势在于，硬核实现没有灵活性，通常无法使用最新的技术。随着系统日益先进，而基于 Nios II 处理器的方案是基于HDL源码构建的，能够修改以满足新的系统需求，其优势越来越明显。将处理器实现为HDL的 IP核，开发者能够完全定制 CPU和外设，获得恰好满足需求的处理器。 另外，在 Altera提供的Nios II IDE里面，可以轻松实现C语言到 HDL语言的转换，在硬件
11、上实现程序的功能，据测试，硬件加速可以提高 50 倍的运算速度。 本设计是基于Nios II的数字频谱分析仪，硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，价格低廉。具有一定得使用和参考价值。12 国内外信号发生器的发展与现状。121国内发展与现状安泰信电子有限公司的频谱分析仪共两大系列及AT5000和AT6000系列主要用于电压、功率、周期、波形、边带和频率的谱波失真，双音交调失真和杂波探测,对遥控器、对讲机、测量发射接收机、无绳电话测量进行分析。可用于有线电视CATV及通讯机检测; GSM、CDMA, 3G手机检修;电磁兼容测试（EMC）;信号侦听等功能。还可广泛用应于教学、科研。AT5030
12、频谱分析仪能真正看到电信号 （如射频脉冲信号 ）用傅利叶级数展开出来的图像 ，教学上更容易理解，科研上更清楚。 AT5000系列数字频谱分析仪频率范围1GHz（0.151050MHz）有粗调和细调调节中心频率，数字列键盘和飞棱键外加频率、SPAN、RBW、频标等引出控制键更方便用户的快速测试，本仪器采用7彩色TFT液精显示器同步显示各种参数，并携带与PC连接的各种接口更方便数据采集。本仪器携带USB、RS232、LAN等外部数据接口，更能体现远程的控制能力。 AT6000系列频谱分析仪可测频率范围1GHz(0.151050MHz)有50MHz步进和细调调节中心频率，加上1MHz1GHz扫频宽度
13、选择，组成简易的频域测量。AT6011装有跟踪发生器。本仪器适用于产品开发时的先期测试，在交第三方正式测试之前，一组近场探头AZ530适用于初样机电路板和原样机阶段，对电缆和印制板等处的发射“热点”测试和电磁兼容性水平评估。122国外发展与现状美国安捷伦科技公司的频谱分析仪-PSA系列频谱分析仪HPE4440A产品说明与介绍AgilentE4440A是PSA系列现代高性能频谱分析仪中的一种仪器，具有适应2G/3G应用的通用单键功率测量能力和各种测量专用件。PSA系列把这些专用件和强大的测量性能相结合，能满足航天/防务、无线通信和其它行业通用和高度专用的信号分析需要。PSA系列为频谱分析提供全新
14、的平台，它具有非常先进的总体性能，在精度、动态范围、灵敏度、分辨率和速度方面得到重大改进。AgilentE4440A是PSA系列中的3Hz-26GHz型。能提供高性能的频谱分析。13 前景展望频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备手段，是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具。因此，应用十分广泛，被称为工程师的射频万用表。(1)、传统频谱分析仪传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机,输入信号经变频器变频后由低通滤器输出,滤波输出作为垂直分量,频率作为水平分量,在示波器屏幕上绘出坐标图,就是输入信号的频谱图。传统的频谱分析仪也有明显的缺点,它只能测量频率的幅度,缺少相位信息,因此属
15、于标量仪器而不是矢量仪器。(2)、现代频谱分析仪基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪，通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量,达到与传统频谱分析仪同样的结果,。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。在这种频谱分析仪中，为获得良好的仪器线性度和高分辨率,对信号进行数据采集时ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍。(3)、随着超大规模集成电路工艺技术的发展,以超深亚微米工艺和IP核复用技术为支撑的系统芯片技术(SoC)是国际超大规模集成电路发展的趋势和二十一世纪集成电路技术的主流。14本章小结在本章节中主要介绍了频谱分析仪的用途，现状及发展趋势及其实现方法，通过本章的介绍，可对频谱分析仪有大致的了解。第2章 算法依据 离散傅里叶变换不仅具有明确的物理意义，相对于DTFT他更便于用计算机处理。但是，直至上个世纪六十年代，由于数字计算机的处理速度较低以及离散傅里叶变换的计算量较大，离散傅里叶变换长期得不到真正的应用，快速离散傅里叶变换算法的提出，才得以显现出离散傅里叶变换
